Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼TIG焊接氣孔形成原因研究

劉貽興

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

1　前言

百萬級核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的焊接，采用全自動TIG在橫向位置進(jìn)行。該構(gòu)件材料為Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼，公稱化學(xué)成份為 ：（1～3）%Ni-（1～2）%Cr-（0.5～1）Mo-（＜0.1）%V。

由于該構(gòu)件為密封腔室，內(nèi)部焊縫無法清理、修復(fù)，所以第一道根部成型至關(guān)重要，具體量化要求見表1和圖1[1]。焊縫背面成型滿足要求,但第一焊道產(chǎn)生了大量鏈狀密集氣孔，見圖2。在研究焊縫成型的多個試驗(yàn)件中，出現(xiàn)了相似的氣孔缺陷，它們排列成線狀、密集狀，為什么會產(chǎn)生此類缺陷？

表1　焊接熔透性及背面成型幾何尺寸評價參考值

圖1　焊縫根部背面成型幾何圖

圖2　鏈狀密集氣孔

2　Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼TIG焊縫氣孔試驗(yàn)

2.1　熔透性試驗(yàn)的基本方法和試件

解決百萬級核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫對接，所以采用焊接方法是自動鎢極氬弧焊，焊位為橫向。試件由ФA mm×ФB mm×200 mm兩件圓環(huán)對接裝配組成，坡口型式為“U”型窄間隙深坡口，如圖3[1]所示。

焊后得到了優(yōu)良的焊縫，見表2和圖4。

圖3　焊接試件及坡口形式

圖4　焊縫背面成型優(yōu)良典型

表2　三個試驗(yàn)件的背面成型幾何尺寸數(shù)據(jù)表[1]

2.2　射線探傷的結(jié)果情況

為了研究密封腔室凸型焊縫的RT檢驗(yàn)，采取了兩種方式進(jìn)行探傷，見圖5～6。經(jīng)過兩種方式探傷檢驗(yàn)，表2中的三個試件，都有不同程度的鏈狀密集氣孔，形態(tài)與圖2相近，具體見表3。

圖5　雙壁單影的透照方式

圖6　Ir192中心內(nèi)透方式

表3　三個試件RT探傷檢驗(yàn)結(jié)果

2.3　對氣孔的解剖與金相分析

為研究氣孔的形成機(jī)理，解剖焊縫分析研究氣孔形態(tài)非常重要。選取表3中一個環(huán)形試驗(yàn)件進(jìn)行焊縫解剖，根據(jù)RT底片上的氣孔分布情況，采取切片方式盡量找準(zhǔn)氣孔位置，如圖7所示。

對于切好的小試樣，從圖7（c～d）的金相打磨方向開始打磨，因?yàn)辄c(diǎn)狀氣孔顯示的具體位置無法準(zhǔn)確得出，所以試樣每打磨約20 μm后，肉眼觀察是否有可見顯示，直到肉眼可見點(diǎn)狀氣孔顯示為止。為了找到更典型的密集氣孔特征，往往要打磨多次。

圖7　環(huán)形焊縫解剖方式與金相磨削方向

打磨后，通過顯微鏡觀察，確認(rèn)試樣內(nèi)部存在的顯示為焊接氣孔，氣孔大小0.1～0.8 mm，氣孔間距0.5～6 mm。試樣宏觀形貌如圖8所示。

圖8　氣孔宏觀金相照片

焊縫氣孔金相分析得出了四個結(jié)論：（1）氣孔在焊縫上方位置，距邊緣0.5～3 mm，氣孔在焊縫熔合線附近分布占90%以上；（2）氣孔大小0.1～0.8 mm，有的微小氣孔RT底片無顯示；（3）不是整個圓周焊縫均有氣孔產(chǎn)生，有隨機(jī)性；（4）焊縫金相組織正常為上貝氏體或馬氏體。

3　自動鎢極氬弧焊氣孔產(chǎn)生機(jī)理

從焊接冶金學(xué)[2]得知，焊縫氣孔分為兩類，一是內(nèi)部氣孔，主要形成機(jī)理是焊接冶金反應(yīng)時，H2和N2發(fā)生熔解，并在焊縫中凝結(jié)，當(dāng)焊縫結(jié)晶時無足夠的時間逸出，于是在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，一般呈圓形或橢圓狀；二是焊接冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體CO、H2O，它們不熔于金屬液體，從熔池中高速逸出，容易在焊縫表面形成條蟲狀氣孔。

本試驗(yàn)研究的“自動鎢極氬弧焊氣孔”特征為焊縫內(nèi)部圓形密集小氣孔，從工藝特性來看，應(yīng)該是H2殘留在焊縫中形成的氣孔。因?yàn)樽詣渔u極氬弧焊的保護(hù)氣體為：97.5%Ar+2.5%H2。Ar是惰性氣體，不參加化學(xué)冶金反應(yīng)，不可能產(chǎn)生氣孔；97.5%Ar+2.5%H2為焊接主保護(hù)氣體，焊縫保護(hù)良好，所以無空氣進(jìn)入熔池，故不可能產(chǎn)生N2氣孔；工件清理、清洗非常好，絕對無水、銹等，所以不可能產(chǎn)生CO、H2O氣孔。

自動鎢極氬弧焊H2氣孔產(chǎn)生的機(jī)理，由于保護(hù)氣體中有2.5%H2，它在焊接冶金反應(yīng)時，在高溫下會溶解于液體金屬中，產(chǎn)生氣孔有三個相互聯(lián)系但又各自不同的三個階段，即氣泡的生核、長大和上浮[2]。氣泡的生核必須有兩個條件，液態(tài)金屬中有過飽和的氣體和生核要消耗能量。在焊接熔池中有大量的現(xiàn)成表面（如分布不均勻的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、熔池底部成長的樹枝柱狀晶等），H是表面活化元素，容易被現(xiàn)成表面吸附。能夠局部增高H元素的濃度，促使進(jìn)行2[H]=H2，這樣就很容易以現(xiàn)成表面為非自發(fā)晶核的核心發(fā)展到臨界尺寸的氣泡核[2][4][5]。

本文研究的氣孔特征：“氣孔在焊縫熔合線附近分布占90%以上”，充分證明了熔合線附近有半熔化的晶粒、樹枝柱狀晶等溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，吸附H元素形成氣泡核，而熔池其它地方則沒有（或幾率很低）形成氣泡核的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)H氣泡核生成后，焊接保護(hù)氣體中2.5%H2源源不斷地輸入熔池，使得液態(tài)金屬中有足夠大的過泡氣體和濃度時，氣泡核要繼續(xù)長大，在幾秒內(nèi)迅速形成宏觀氣孔[2]。氣泡核形成之后，在熔池金屬中經(jīng)過一個短暫的長大過程，長大到一定尺寸后（如0.5 mm）就會從液態(tài)金屬中逸出，叫氣泡上浮[2]。如果焊縫熔池結(jié)晶凝固時，氣泡還沒有來得及逸出，就會留在焊縫中經(jīng)無損檢驗(yàn)時（如RT檢驗(yàn)）檢出圓型缺陷即氣孔。

4　氣孔產(chǎn)生原因分析與研究

氣孔產(chǎn)生的原因很多，主要有焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)，材料的焊接冶金，工藝參數(shù)的合理與匹配，焊接工件清潔與氣路等外圍因素。本文重點(diǎn)深入研究了以下五個方面。

4.1　從TI G自動焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究

百萬級核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的焊接設(shè)備為引進(jìn)法國某公司大型自動氬弧焊系統(tǒng)，分為主機(jī)多槍氬弧焊系統(tǒng)、升降工作臺系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)、保護(hù)氣體氣源系統(tǒng)。影響氣體保護(hù)效果的主要是焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)。

從槍體進(jìn)入的兩路保護(hù)氣體（97.5%Ar+2.5%H2），進(jìn)入焊槍噴嘴保護(hù)罩，分為焊縫主保護(hù)氣與背拖保護(hù)氣，形成層流沖入工件窄間隙深坡口中，對焊縫熔池和后面仍然處于高溫的焊縫形成良好保護(hù)作用。經(jīng)過多次多條焊縫試驗(yàn)，此結(jié)構(gòu)的焊槍噴嘴的保護(hù)效果良好。在多次的試驗(yàn)中，采用有色煙氣進(jìn)行焊縫熔池保護(hù)效果試驗(yàn)，結(jié)果無有色煙氣紊亂現(xiàn)象，氣體為層流輸入，空氣無法進(jìn)入。

解剖分析焊槍噴嘴保護(hù)罩，內(nèi)部有一定目數(shù)的篩網(wǎng)，作用是使進(jìn)入的氣流形成層流。在試驗(yàn)研究中改變篩網(wǎng)的形狀（或目數(shù)），氣體流入要發(fā)生氣流紊亂現(xiàn)象，必然影響熔池保護(hù)效果，必定會產(chǎn)生氣孔。噴嘴保護(hù)罩內(nèi)的篩網(wǎng)要定期清理、更換，否則會影響氣體流入，要發(fā)生氣流紊亂現(xiàn)象，必然影響熔池保護(hù)效果，必定會產(chǎn)生氣孔。

4.2　從材料焊接冶金特性研究

百萬級核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件材料為Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼，采用97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)氣體焊接時，其冶金特點(diǎn)是根據(jù)焊接區(qū)域的溫度，氫可以處于分子、原子和離子狀態(tài)。在高溫下，氫分子將發(fā)生分解[2]。

從上式可以看出氫容易分解成原子，不容易分解成質(zhì)子；氫的分解與溫度有關(guān)。在電弧區(qū)，電弧柱中（溫度＞5000 K），氫主要以原子狀態(tài)存在，其分解率а＞96%；而在低于2000 K的區(qū)域，它的分解度很小，主要以分子狀態(tài)存在。即氫在金屬中的溶解，一類金屬與氫相互作用形成穩(wěn)定的氫化物，如：Zr、Ti、V、Ta、Nb等；另一類金屬與氫不形成穩(wěn)定的氫化物，如：Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。但氫能溶解于這類金屬及其合金中。

其溶解度符合平方根定律[2]：

式中：SH為氫在金屬中的溶解度；KH2為平衡常數(shù)；PH2為氣相中分子氫的分壓。

氫的溶解與溫度的關(guān)系，如圖9所示。從圖中可以看出，上述另一類金屬與氫的溶解度隨溫度升高而增加，但在變態(tài)點(diǎn)溶解度會發(fā)生突變。當(dāng)溫度大約為2500℃時，氫的溶解度達(dá)到最大值（43 cm3/100 g），這就是說熔滴階段吸收的氫比熔池階段多。進(jìn)一步升高溫度，達(dá)到鐵的沸點(diǎn)溫度時，氫的溶解度等于零。此外，合金元素對氫在鐵中的溶解度也有較大的影響。Ti、Zr、Nb及某些稀土元素可以提高氫在液態(tài)鐵中的溶解度；Mn、Ni、Cr、Mo影響不大；而C、Si、Al可降低氫的溶解度[2]。

圖9　氫的溶解與溫度的關(guān)系

本文研究的氫在電弧高溫區(qū)（溫度＞5000 K）會分解成原子氫，所以焊縫中會存在擴(kuò)散氫。它非常活潑，極容易在焊縫熔合線處凝聚，增高H元素的濃度，促使進(jìn)行2[H]=H2，這樣在熔池現(xiàn)成表面形成氣泡核。由于保護(hù)氣氛中有源源不斷的氫輸入，所以非常容易形成過飽和的氫，氣泡核迅速長大，向上浮并逸出。如果焊縫熔池結(jié)晶凝固時，氣泡還沒有來得及全部逸出，就會留在焊縫中經(jīng)無損檢驗(yàn)時（如RT檢驗(yàn)）檢出圓型缺陷即氣孔[4-5]。另一方面，氬弧焊電弧熔化焊絲形成熔滴，溫度在1400～2600℃，液態(tài)金屬會溶解來自氬弧焊保護(hù)氣氛中的氫，直接生成氣孔，直徑Ф一般較大，大于1.0 mm。

從試驗(yàn)研究的多個焊縫RT檢驗(yàn)出氣孔形態(tài)和產(chǎn)生的時段，氣孔均在第一道焊縫產(chǎn)生（見圖1），其他2～9道焊縫幾乎不產(chǎn)生氣孔。為了增加氬弧焊的熔透性，只在第一道焊縫采用97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)氣體焊接，其他2～9道焊縫采用高純Ar保護(hù)氣體焊接。最后得出：一是焊縫產(chǎn)生的密集鏈狀氣孔為氫氣孔；二是從焊縫氣孔的分布、形狀看，氫氣孔是在電弧高溫時，分解成原子進(jìn)入液態(tài)金屬，然后形成氣泡核、長大、上浮，焊縫熔池結(jié)晶凝固時，氣泡還沒有來得及全部逸出，而留在固態(tài)焊縫金屬中形成氣孔。

4.3　工藝參數(shù)匹配研究

焊接電流（I）、電弧電壓（U）、焊接速度（v）三者之間的關(guān)系非常重要，本文也重點(diǎn)研究了該三個參數(shù)的關(guān)系。從金屬冶金原理的數(shù)學(xué)模型：

式中:U為電弧電壓，V；I為焊接電流，A；v為焊接速度，mm/min；K為常數(shù)（主要與被焊接材料的熱物理性質(zhì)有關(guān)）。

從式（4）可以看出，焊接規(guī)范主要是影響熔池的存在時間。當(dāng)焊接熱輸入一定時，增加焊接速度則會使熔池的存在時間加急變短，對氣孔的逸出不利。反之減小焊接速度則會使熔池的存在時間變長，對氣孔的逸出有利；當(dāng)焊接速度一定時，增加焊接熱輸入（電流、電壓），則會使熔池的存在時間變長，對氣孔的逸出有利。反之減小焊接熱輸入，則會使熔池的存在時間短，對氣孔的逸出有利。

4.4　從保護(hù)氣體氣源、氣路研究

本文自動氬弧焊接系統(tǒng)氣源分為焊接主保護(hù)氣源和背面保護(hù)氣源。

焊接主保護(hù)氣源，氣體為：97.5%Ar+2.5%H2，由四川MESSER（專業(yè)焊接保護(hù)氣生產(chǎn)商）生產(chǎn)。氣體的純靜度與雜質(zhì)含量見表4。背面保護(hù)氣源，氣體為：99.999%Ar，同樣由四川MESSER生產(chǎn)，氣體的純靜度與雜質(zhì)含量見表4。研究表明，焊接主保護(hù)氣源和背面保護(hù)氣源在滿足Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼要求的情況下，提高到超純靜等級。從表4可以看出，氣體的雜質(zhì)總量在10ppm，不足以產(chǎn)生氣孔。

表4　焊接主保護(hù)氣源和背面保護(hù)氣源純靜檢測表

Ar與H2兩者分子量相差較大，對于混合氣體來說是否會分層，或者放置時間長了會否自動分層，作者翻閱了一些文獻(xiàn)資料，沒有找到確切答案。但在試驗(yàn)研究時，采用過將單個氣瓶放倒后滾動、或者倒立氣瓶，使瓶內(nèi)氣體混合，然后進(jìn)行焊接；與放置較久（一個月）的氣瓶進(jìn)行焊接對比，沒有得到有用數(shù)據(jù)，即混合氣體放置時間長了會自動分層的說法沒什么科學(xué)依據(jù)。徐天中概述了標(biāo)準(zhǔn)氣體穩(wěn)定性的影響因素,穩(wěn)定性考察結(jié)果表明只要在配制過程中注意容器的選擇及預(yù)處理,用戶按標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)規(guī)定的要求使用,標(biāo)準(zhǔn)氣體在有效期內(nèi)是穩(wěn)定的[3]。

4.5　從影響焊接外圍因素研究

影響焊接的外圍因素主要有以下幾個方面。

第一是工件清潔度。對于工件，焊前清理、清洗要求特別高，必須無任何雜質(zhì)、氧氣皮、銹和水。Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼加工好后要涂油保護(hù)，工件坡口為搭接式，清理時搭接角處最重要，清洗時要初清洗、砂布清擦，再清洗，再清擦，再清洗，最終精清洗，達(dá)到白絹布擦式無痕跡。

第二是焊縫的清理。每一個TIG焊道焊縫表面，采用細(xì)長桿鋼絲刷緊固在風(fēng)動工具上進(jìn)行仔細(xì)打磨，保證焊縫表面無任何雜質(zhì)、氧氣皮。

第三是焊絲的儲存、管理與清潔度。采用5 kg盤狀焊絲，儲存在衡定溫濕度的焊接材料儲存庫中，每天使用前領(lǐng)取，使用后還回。焊絲表面檢查，要求無任何雜質(zhì)、氧化物等，裝卸過程要求工人戴白手套。

第四是車間的溫濕度。目前車間不是衡溫衡濕車間，其溫濕度是否對Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼的焊接氣孔有影響，需進(jìn)一步研究。

5　研究Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼TIG焊縫產(chǎn)生氣孔的啟示與防止措施

研究Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼TIG焊縫產(chǎn)生氣孔，對于百萬級核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的焊接具有重要意義。得到下面啟示（或結(jié)論），并提出相應(yīng)防止措施。

分析研究氣孔的形態(tài)、類別、性質(zhì)和產(chǎn)生機(jī)理，在這里產(chǎn)生了一個矛盾，采用Ar+H混合氣體比采用純Ar氣體焊接更容易得到優(yōu)良的背面成型[1]，但產(chǎn)生氫氣孔的幾率增大，并且在n條焊縫中隨機(jī)產(chǎn)生，給采取防止措施帶來困難；研究中闡明防止措施就是增加熱輸入，使氣孔上浮逸出。

分析研究了Ar+H混合氣體保護(hù)焊電弧特性。在弧柱高溫區(qū)（溫度＞5000 K），氫被分解成原子進(jìn)入液態(tài)焊縫金屬中，在半熔化的金屬現(xiàn)成表面形核、長大、上浮形成氣孔。特征是在焊縫熔合線處聚集，形成密集或鏈狀小氣孔；另一方面，電弧熔化金屬形成熔滴，溫度在1400～2600℃，液態(tài)金屬會溶解來自氬弧焊保護(hù)氣氛中的氫，直徑生成氣孔，直徑Ф一般較大，大于1.0 mm，特征是在焊縫中上部。

分析研究了焊接工藝參數(shù)及其參數(shù)的匹配。最重要的是焊接速度，它直接影響熔池液態(tài)金屬結(jié)晶凝固時間，液態(tài)金屬結(jié)晶時間越長，氣孔長大、上浮越有利，最終焊縫不會產(chǎn)生氣孔；反之，焊縫極易

產(chǎn)生密集或鏈狀小氣孔。采取的工藝措施就是減小焊接速度，并與工藝參數(shù)匹配良好。

分析研究了主焊接保護(hù)氣與氣路。氣體的雜質(zhì)總量在10ppm，不足以產(chǎn)生氣孔。但輸送氣體的管道，雖然采用不銹鋼，達(dá)到清潔要求，但管道外表面容易產(chǎn)生凝結(jié)水；在管道內(nèi)部是否有凝結(jié)水，是否會溶于保護(hù)氣體中帶入焊接熔池需要進(jìn)行一步研究。采取的措施可以在進(jìn)入焊機(jī)前端的保護(hù)氣體管路中加入干燥箱，過濾掉混入保護(hù)氣體中的凝結(jié)水。

6　Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼TIG焊縫產(chǎn)生氣孔實(shí)踐驗(yàn)證

從2013年上半年完成試驗(yàn)研究以來，把文中闡述的論點(diǎn)、技術(shù)措施，圍繞高強(qiáng)鋼TIG焊縫產(chǎn)生氣孔的邊緣因素用到產(chǎn)品生產(chǎn)控制中，驗(yàn)證了理論、試驗(yàn)的正確性。截止2016年11月，焊接制造了大型旋轉(zhuǎn)類工件（300 t、13000 mm、直徑3200 mm）共計(jì)15件，沒有產(chǎn)生超標(biāo)缺陷，RT探傷合格率100%。

[1]劉貽興.Si對Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性的影響[J].東方汽輪機(jī),2013,(3):25-31.

[2]天津大學(xué)焊接教研室.金屬熔焊原理及工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980.

[3]徐天中.標(biāo)準(zhǔn)氣體穩(wěn)定性研究[J].低溫與特氣,2001,19(3):25-26.

[4]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊:第一卷:焊接方法及設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]胡凱,王朝偉,魏淑女.TIG焊中產(chǎn)生氣孔的因素及其防止措施[J].山東機(jī)械,2005,(3):30-32.